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阳江核电站REN核取样系统电磁流量计改造

来源:阳江核电有限公司作者:张晨东发表时间:2018-09-28 15:26:32

 摘 要:阳江核电站REN核取样系统现有流量测量采用的是法国福尔赫曼生产的涡轮流量计,该类型流量计在运行过程中故障频发,耗费大量人力物力,影响REN系统设备的安全稳定运行。本文从原理上对涡轮流量计故障原因进行分析,确认涡轮流量计不适用于现场工况,需要进行产品换型改造。从改造换型所用电磁流量计的特性出发,阐述选择电磁流量计作为换型产品的原因,并通过现场反馈和持续改进,确认所选电磁流量计适用于REN核取样系统工况。

 
引言
核电站由于其特殊性,尤其重视运行期间的安全性。核电站一回路水质指标信息具有时效性强、准确性高的特点,一回路水质指标预警预报和趋势分析要求快速、准确、实时地采集和传递监测信息。核电站的仪表及仪控系统构成了核电站的“中枢”神经系统,对核电站整体工艺流程正常、高效、安全地运行起着不可替代的作用。由于核电项目建设的特殊性,对于仪器设备的要求较高,尤其是仪器设备的稳定性及安全性。目前阳江核电站REN系统采用的是涡轮流量计对核取样介质进行流量测量,阳江核电站1号~4号机运行的REN系统相关MD出现故障的频率较高。所以迫切地需要找到涡轮流量计的故障原因及解决方案。
 
1 现状及影响
阳江核电站REN系统MD采用的是法国福尔赫曼生产的涡轮流量计,在生产运行中故障频发,当REN系统MD管线长期未投用或机组处于大修启动阶段时,出现的故障概率更高。这不仅导致了人力和物力的浪费,还会对系统造成以下几种影响:
涡轮流量计原理示意图涡轮流量计结构图
1) REN 系统 MD 故障,影响 REN 系统取样管道流量显示。
2) REN007 / 020MD为硼表正常环路 / 备用环路(三环路)流量计,当MD出现故障无显示后,导致硼表出现低流量报警(流量低于50L/h),即硼表不可用。
3) REN006 / 022MD为氢表取样管线流量,要求其管线流量测量稳定,当MD出现故障无显示后,影响氢表流量准确性的判断。
 
2 涡轮流量计故障原因分析
2.1 涡轮流量计测量原理
在流量测量管道中心安放一个涡轮,两端由轴承支撑,当流体通过管道时,冲击涡轮叶片,对涡轮产生驱动力矩,使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时,就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器,对信号进行放大、整形,产生与流速成正比的脉冲信号,送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值。在一定的流量范围内,对一定的流体介质粘度,涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到,从而可以计算得到通过管道的流体流量。
 
2.2 故障分析
从涡轮流量计的原理可知,涡轮流量计的原始信号是由涡轮旋转切割线圈磁感线所产生。所以在使用过程中一定要保证涡轮良好的旋转性能。经过对现场拆卸下的故障涡轮流量计现场解体涡轮流量计发现如下问题:
1)在涡轮上发现絮状异物。
2)涡轮内部清理出大量杂质。
涡轮流量计上絮状异物
使用大流量冲洗后,涡轮流量计内部涡轮仍无法正常旋转,涡轮流量计无法使用。通过以上拆卸现场涡轮流量计可以看出,流量计主要故障原因:
① 涡轮旋转体被测液体中絮状物缠绕卡死,无法正常工作。
② 涡轮旋转体被测液体中杂质卡死,无法正常工作。
③ 涡轮旋转体被测液体中杂质快速磨损或者撞击失效而无法正常工作。
④ 测量介质中有杂物及流量计涡轮直径和孔隙较小是造成该MD故障率高的根本原因。
 
3 解决方案
基于以上原因分析并通过多种流量计进行对比,最终选择电磁流量计作为改造换型产品。
 
3.1 电磁流量计的测量原理
电磁流量计原理
电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律,在测量管道上轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装一对检测电极,当导电液体沿着管轴线运动时,导电液体做切割磁力线运动,产生感应电动势。
其值大小为:E=KBDV。
其中:
E-感应电势。
K-仪表常数。
B-磁感应强度。
D-测量管的内直径。
V-测量管内液体的流速。
 
3.2 选择电磁流量计的原因
1)电磁流量计传感器为光滑直通管,管道内部无可动部件和其它结构件,管道内被测液体能够正常流过,不会造成管道堵塞,同时压损小。
2)测量准确度等级为0.5%。
3)安装方式与原涡轮流量计相同。
4)测量量程比优于涡轮流量计。
5)功能满足核电站REN系统核辐射照射的要求。
6)能满足REN系统的抗震要求。
 
4 电磁流量计试用过程中遇到的问题和问题分析
结合现场的工艺流程初步选择REN022MD(氢表流量计)工艺管段作为电磁流量计应用的安装位置。
 
4.1 电磁流量计试用过程中的安装位置和使用环境
图6黄线所标出的路线为实际管道安装线路,其中REN006MD为REN022MD上游涡轮流量计,同时作为电磁流量计的一个参考源,REN022MD则为电磁流量计的安装位置。
安装管道系统图传感器安装图
现场安装实物如图7和图8所示。
转换器安装图电磁流量计第一次试用时波动和回零曲线图
使用环境:
环境温度<60℃。
介质温度<80℃。
常用流量为130L/h~140L/h(流速在2m/s左右),在流量计的正常测量范围以内。
 
4.2 在试用过程中遇到的问题
电磁流量计安装完成后为了验证其产品性能专门配备了一台记录仪。第一次试用时,通过记录仪观察,发现流量波动,最大波动幅值50%;除了波动还存在回零现象。波动曲线和回零曲线如图9。
 
4.3 原因分析
在电磁流量计本身没有故障的情况下,以下几种情况下会导致电磁流量计出现流量波动和回零的情况:
1)调整阀门,导致管道内流体流场波动大。
2)电磁流量计接地不好。
3)外部大功率设备干扰。
4)管道内被测液体中存在异物,撞击电极,使采集到的信号产生突变,从而导致流量波动或回零。
 
通过现场观察和了解,确认无人为操作阀门,周围无大功率设备,转换器和传感器均接地良好,管道内被测液体中存在絮状物体,流量计回零时,流量计上显示空管报警。经过现场参数测试并从测量原理分析可知:这种情况只可能是电磁流量计的空管耦合信号经一个电极发出到另一个电极接收的这个过程中,空管耦合信号受到异物干扰,导致接收到的空管耦合信号突变,超出空管设定阈值,导致空管报警。
 
因此,可以判断电磁流量计波动和回零均是由于管道内被测液体中存在絮状物体导致。所以在此种工况下,电磁流量计必须克服管道内存在的浆液介质噪声干扰,才能正常使用。
 
5 电磁流量计的改进
5.1 电磁流量计第一次改进
电磁流量计的改造分为转换器和传感器两个部分。初次使用的转换器为普通型转换器,广泛应用于测量单一介质。但是不能抵抗现场还有絮凝物质和杂质的介质在电极处形成的噪声干扰。噪声产生的原理如图10所示。经过大量的试验研究已经证明电磁流量计励磁频率越高或者励磁磁感应强度越大,在浆液介质中产生噪声越小。所以通过提高励磁频率或者励磁强度都是解决浆液噪声可行的方案。
浆液噪声产生原理
根据现场介质工艺状况更换为三畅仪表的浆液型电磁流量计。相较于普通电磁流量计,浆液型电磁流量计在励磁频率,信号采样频率和信号处理算法等方面都有不同。励磁频率从2.5Hz增加到25Hz,信号采样频率从60Hz增加到19KHz,增加浆液滤波算法。
 
传感器:增加励磁线圈扎数,增加铁芯,从而达到提高信噪比的作用。更改电极结构,以达到更好的密封效果。
电磁流量计励磁频率特性图
5.2 改进后电磁流量计的试用
更换成浆液型的电磁流量计在试用过程中发现两个问题。
 
1)流量计偏差大,真实值为150L/h时,流量计显示为220L/h,经检查发现流量计的空管设定值为6,空管检测值为6.228,空管设定值与空管检测值的乘积等于37.368,为D/A输出的上限值,这说明转换器判断为空管状态,流量计的显示流量是一个不真实的流量信号,所以不准确。
 
2)经现场调整后,空管检测值恢复到D/A输出范围内,流量也恢复到正常的150L/h。但运行一段时间后流量从150L/h骤降到120L/h,并稳定在120L/h。
 
经分析,导致流量偏差大的原因是因为空管检测存在问题,导致流量计不能正常测量,需要改进。流量减小的原因是,电极结构的改变,导致电极与衬里之间存在缝隙,被测液体中的絮状物容易附着,导致信号衰减,流量减小。
 
5.3 电磁流量计第二次改进
针对现场使用的情况,再次对浆液型电磁流量计做了以下两方面的改进:
1)修改空管检查方式,以防止空管无判断。
2)修改电极接触面,使得电极和衬里之间不存在缝隙
 
5.4 第二次改进后再次试用并进行了性能测试
1)流量显示118L/h,最低105L/h,最高130L/h,上游1REN006MD转子流量计显示为106L/h,两者偏差12L/h,与化学专业确认在合格范围内。
 
2)手动关闭1REN216VP(就地基地式调节仪),1REN006MD由102 L/h下降到81 L/h,1REN022MD由115 L/h下降到95 L/h,下降趋势一致,幅值相近,验证功能正常。
 
3)化学专业做溶氢试验时手动开启Y1REN416VP,Y1REN022MD同步由120L/h下降到92L/h,响应迅速。
4)化学专业做氢表冲洗:先打开Y1REN616VP,再关闭Y1REN216VP,Y1REN022MD电磁流量计示值从117.75L/h 下降到60L/h,再到0L/h,仪表响应迅速。具体曲线如图12所示。
化学专业做氢表冲洗流量计曲线图
5.5 结论
经过改进后的电磁流量计适用于阳江核电站REN核取样系统。
 
6 阳江核电站1号机组和2号机组REN系统电磁流量计改造方案
6.1 Y1/2REN系统电磁流量计统计和表头摆放位置
 
1号和9号公用机组REN转子流量计统计:
1REN001MD 1REN002MD 1REN003MD 1REN004MD
1REN005MD
1REN006MD 1REN021MD 1REN022MD 9REN361MD
9REN362MD
9REN363MD 9REN364MD 9REN365MD 9REN366MD
1REN007MD
1REN020MD 16块表的表头集中在控制柜1内。
 
2号机组REN转子流量计统计:
2REN001MD 2REN002MD 2REN003MD 2REN004MD
2REN005MD
2REN006MD 2REN021MD 2REN022MD 2REN007MD
2REN020MD
10块表的表头集中在控制柜2内。
 
6.2 控制柜尺寸确认
经现场测量,控制柜为700×500的矩形柜。
 
6.3 电磁流量计转换器改造
由于现有电磁流量计的表头无法集成到700×500的矩形柜中,所以需要对电磁流量计转换器结构进行改进,统一集成到控制柜内。SCLDE电磁流量计转换器主板由电源板、信号板、显示板3部分组成。厂家为了现场操作方便将电路板安装在一体积较大的外壳内,然而阳江现场不需要体积较大的外壳,经过技术评估之后决定直接将电磁流量计主板和记录仪集成到控制柜中,主板与主板之间用钣金隔离屏蔽。具体布局图如图13所示。
电磁流量计表头布局图
改进后的电磁流量计采用220VAC供电,集成在控制柜内,仪表能实现实时显示、趋势曲线、逻辑输出报警等综合功能。
 
7 电磁流量计改造进度安排
电磁流量计主板和控制柜已完成设计改进,2017年10月初完成PCB板的绘制,11月底完成主板调试,2018年1月底完成控制柜的集成调试。2018年2月在阳江核电站1号机现场完成安装调试,2018年4月在阳江核电站5号机现场完成安装调试,目前已安装的新型电磁流量计在现场运行状况良好。